JP5822780B2 - 切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、鋼等の切削加工において優れた耐摩耗性を発揮する切削工具に関する。

切削工具として、超硬合金やサーメット等の基体の表面に被覆層を成膜して、耐摩耗性、摺動性、耐欠損性を向上させたコーティング超硬合金が広く使われている。

例えば、特許文献１では、超硬合金基体の表面に、ＴｉＮやＴｉＣＮの下部層とＡｌ_２Ｏ_３層の上部層を３〜３０μｍ厚みで成膜した後、ＴｉＯｘ層の最表面下地層を０．１〜３μｍと、ＴｉＣＮＯ（Ｏは前記最表面下地層から拡散した酸素）層を０．０５〜２μｍとの順に積層した構成の硬質被覆層を形成した切削工具が開示され、ステンレス鋼や軟鋼などの粘性の高い被削材の切粉に対する親和性が低くて、耐溶着性に優れていることが記載されている。

また、特許文献２や特許文献３では、上記構成に類似する被覆層を成膜した後で、被覆層の表面を研磨加工して被覆層の表面を滑らかにする方法が開示されている。

特開２００１−３１０２０３号公報 特開２００８−０５５５８１号公報 特開２００６−２９７５８５号公報

しかしながら、特許文献１−３の構成では、被覆層の表面にＴｉＣＮＯ層を有することから、すくい面においては切粉に対する耐溶着性が向上するものの、溶着が生じやすい切刃部における溶着を抑制することはできず、切刃部において溶着を引き金とする摩耗や欠損が発生するおそれがあった。

本発明では、切削加工する際に良好な耐溶着性が得られて、工具寿命が長い切削工具を提供することを目的とする。

本発明の切削工具は、基体の表面に多層からなる被覆層を設けており、前記被覆層の最表層が、ＴｉＮ相とＴｉＯｘ（０．５≦ｘ≦３）相との混相からなるとともに、前記最表層における前記ＴｉＯｘ（０．５≦ｘ≦３）相の含有割合がすくい面より切刃部のほうが高いものである。

本発明によれば、最表層がＴｉＮ相とＴｉＯｘ（０．５≦ｘ≦３）相との混相からなるので、最表層の残留応力が低くなり、被覆層の耐欠損性を高めるという効果がある。また、最表層を構成するＴｉＯｘ（０．５≦ｘ≦３）相は、鋼または合金鋼等の被削材が切削工具の切刃部に溶着することを抑制して、被覆層が被削材の溶着によって変質して、摩耗や欠損につながることを抑制する効果がある。ＴｉＮ相は最表層の耐欠損性を高める効果がある。しかも、切刃部においてＴｉＯｘ相が多く存在するので、切削加工時に切刃部に
被削材が溶着しやすい加工条件においても溶着を抑制できるとともに、クレータ摩耗が進行しやすいすくい面における耐摩耗性も高くて工具寿命が長くなる。

本発明の切削工具のインサートの一例について、（ａ）概略斜視図、（ｂ）要部拡大断面図である。

本発明の切削工具のインサートの一例について、図１の概略斜視図および要部拡大断面図を基に説明する。

図１のインサート１は、すくい面２と逃げ面３との交差稜線部が切刃４を構成しているとともに、基体６の表面に、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物および炭窒酸化物のうちの１層以上と、α型結晶構造のＡｌ_２Ｏ_３層（以下、単にＡｌ_２Ｏ_３層と略す。）１２と、ＴｉＮ相とＴｉＯｘ（０．５≦ｘ≦３）（以下、単にＴｉＯｘ相と称す。）相との混相からなる最表層１４とが順に積層してなる被覆層が設けられている。なお、図１のインサート１は、板状で主面が概略正方形形状からなる。そして、最表層１４のＴｉＯｘ相の含有割合がすくい面２より切刃部４のほうが高い構成となっている。

ここで、切刃部４における最表層１４のＴｉＯｘ相の含有割合は、ＴｉＮ相とＴｉＯｘ相との合計量に対して７０〜９０％、すくい面２における最表層１４のＴｉＯｘ相の含有割合は、５０〜７０％であることが望ましい。

なお、本発明において、最表層１４のＴｉＯｘ相の含有割合とは、最表層１４のＸ線回折測定にてＴｉＮのピークとＴｉＯｘのピークが存在するか否かを確認するとともに、切刃部４およびすくい面２において、最表層１４の表面からオージェ電子分光分析によって、ＴｉＮ相とＴｉＯｘ相との存在強度を求めて、ＴｉＮ相とＴｉＯｘ相との含有割合に換算することによって求められる。また、本発明において、すくい面２における厚みや構成成分を測定する際には、すくい面２の端部である切刃部４から５００μｍの内側の位置で測定する。

この構成により、被覆層の最表層１４に含有されるＴｉＯｘ相は、最表層１４の表面に被削材が溶着することを抑制する効果がある。そして、本発明によれば、最表層１４がＴｉＮ相とＴｉＯｘ相との混相からなるので、被覆層の耐欠損性が向上する。しかも、切刃部４においてＴｉＯｘ相が多く存在するので、切削加工時に切刃部４に被削材が溶着しやすい加工条件においても溶着を抑制できて工具寿命が長くなる。

また、切刃部４における最表層１４の厚みｔ_ｃとすくい面２における最表層１４の厚みｔ_ｒとの比（ｔ_ｃ／ｔ_ｒ）が０．８〜１．２であることが望ましい。すなわち、比（ｔ_ｃ／ｔ_ｆ）がこの範囲であれば、切刃部４およびすくい面２における耐摩耗性と耐欠損性とのバランスが良好である。なお、比（ｔ_ｃ／ｔ_ｆ）は、後述する最表層１４の成膜条件およびその後の研磨加工の条件を制御することによって調整する。

ここで、ＴｉＯｘ相は、ＴｉＯ_２相およびＴｉ_２Ｏ_３相の混相からなることによって、最表層１４の色を調整することができて、例えば、異なる形状のインサート間で色を変えて目視でインサートの区別を可能とすることができる。

なお、ＴｉＮ相とＴｉＯｘ相との混相からなる最表層１４は青系色を示すが、ｘによってその色合いが変化するため、インサート１の表面を異なる色に調整することができ、インサート１を使用したときに最表層１４が摩耗して使用済みかどうかの判別がつきやすく
、また、摩耗の進行を容易に確認できる。

また、すくい面２における最表層１４の厚みが０．５〜１μｍであり、表面粗さ（Ｒａ）が０．０５〜２μｍであることが、最表層１４の耐摩耗性および耐チッピング性を高める点で望ましい。

次に、最表層１４の下（基体６）側に形成されるＡｌ_２Ｏ_３層１２について説明する。Ａｌ_２Ｏ_３層１２を構成するＡｌ_２Ｏ_３結晶はα型結晶構造であることが望ましく、かつ基体６の表面に対して垂直な方向から見た平均結晶幅が０．０５〜０．７μｍであることが、耐摩耗性の点で望ましいものである。

また、Ａｌ_２Ｏ_３層１２の基体６側に形成される被覆層は、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＣＯ、ＴｉＮＯの群から選ばれる１層以上が好適に用いられ、Ａｌ_２Ｏ_３層１２およびその下層によって耐摩耗性および耐欠損性が向上する。本実施態様によれば、具体的な構成として、基体６の直上には第１層としてＴｉＮ層７が形成され、第２層としてＴｉＣＮ層８−１０が形成されている。ＴｉＣＮ層８−１０としては、アセトニトリル（ＣＨ_３ＣＮ）ガスを原料として含み成膜温度が７８０〜９００℃と比較的低温で成膜した柱状結晶からなる、いわゆるＭＴ−ＴｉＣＮ層８，９と、成膜温度が９５０〜１１００℃と高温で成膜した、いわゆるＨＴ−ＴｉＣＮ層１０とが順に成膜された構成であることが望ましい。さらに、ＭＴ−ＴｉＣＮ層８，９は、平均結晶幅が０．５μｍ未満と微細な微細柱状結晶からなる微細ＭＴ−ＴｉＣＮ層と８、平均結晶幅が０．５〜２μｍと比較的大きい粗大柱状結晶からなる粗大ＭＴ−ＴｉＣＮ層９との積層からなることが望ましい。これによって、Ａｌ_２Ｏ_３層１２との密着力が高まり、被覆層の剥離やチッピングを抑えることができる。

また、ＨＴ−ＴｉＣＮ層１０の上部または全部は、成膜工程で酸化されて、Ｔｉ原子を４０〜５５原子％と、酸素（Ｏ）を１５〜２５原子％と、炭素（Ｃ）を２５〜４０原子％と、残部が窒素（Ｎ）とのＴｉＣＮＯ層に変化して、厚み０．０５〜０．５μｍの中間層１１を形成していることが望ましい。これによって、平均粒径０．０５〜０．７μｍのα型結晶構造のＡｌ_２Ｏ_３結晶からなるα型Ａｌ_２Ｏ_３層１２をより容易に作製することができる。

なお、各層の厚みおよび各層を構成する結晶の性状は、インサート１の断面における電子顕微鏡写真（走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真または透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真）を観察することにより、測定することが可能である。また、本発明においては、被覆層の各層を構成する結晶の結晶形態が柱状であるとは、各結晶の被覆層の厚み方向の長さに対する前記平均結晶幅の比が平均で０．３以下の状態を指す。一方、この各結晶の被覆層の厚み方向の長さに対する前記平均結晶幅の比が平均で０．３を超えるものは結晶形態が粒状であると定義する。

一方、インサート１の基体６は、炭化タングステン（ＷＣ）と、所望により周期表第４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種と、からなる硬質相を、コバルト（Ｃｏ）やニッケル（Ｎｉ）等の鉄属金属からなる結合相にて結合させた超硬合金やＴｉ基サーメット、またはＳｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）等のセラミックスのいずれかが好適に使用できる。中でも、インサート１を切削工具として用いる場合には、基体６は、超硬合金またはサーメットからなることが耐欠損性および耐摩耗性の点で望ましい。また、用途によっては、基体６は炭素鋼、高速度鋼、合金鋼等の金属からなるものであっても良い。

（製造方法）
本実施形態のインサートの製造方法について説明する。

まず、上述した硬質合金を焼成によって形成しうる金属炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物等の無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末等を適宜添加、混合し、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定の工具形状に成形する。その後、得られた成形体を真空中または非酸化性雰囲気中にて焼成することによって上述した硬質合金からなる基体６を作製する。そして、上記基体の表面に所望によって研磨加工や切刃部のホーニング加工を施す。

次に、得られた基体６の表面に化学気相蒸着（ＣＶＤ）法によって被覆層を形成する。まず、基体の直上に第１層としてＴｉＮ層を形成する。ＴｉＮ層の成膜条件としては、混合ガス組成として四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスを０．５〜１０体積％、窒素（Ｎ_２）ガスを１０〜６０体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスを用い、成膜温度を８００〜９４０℃（チャンバ内）、圧力を８〜５０ｋＰａにて成膜される。

次に、第２層としてＴｉＣＮ層を形成する。ここでは、ＴｉＣＮ層が、平均結晶幅が小さい微細柱状結晶層と、この層よりも平均結晶幅が大きい粗柱状結晶層とのＭＴ−ＴｉＣＮ層と、ＨＴ−ＴｉＣＮ層との３層にて構成する場合の成膜条件について説明する。

ＭＴ−ＴｉＣＮ層のうちの微細柱状結晶層の成膜条件は、四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスを０．５〜１０体積％、窒素（Ｎ_２）ガスを１０〜６０体積％、アセトニトリル（ＣＨ_３ＣＮ）ガスを０．１〜０．４体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスを用い、成膜温度を７８０〜９００℃、圧力を５〜２５ｋＰａとする。ＭＴ−ＴｉＣＮ層のうちの粗柱状結晶層の成膜条件は、四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスを０．５〜４．０体積％、窒素（Ｎ_２）ガスを１０〜４０体積％、アセトニトリル（ＣＨ_３ＣＮ）ガスを０．４〜２．０体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスを用い、成膜温度を７８０〜９００℃、圧力を５〜２５ｋＰａとする。

ＨＴ−ＴｉＣＮ層およびそれを酸化して形成されるＴｉＣＮＯからなる中間層の成膜条件は、四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスを０．１〜４体積％、メタン（ＣＨ_４）ガスを０．１〜１０体積％、窒素（Ｎ_２）ガスを５〜２５体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスを用い、成膜温度を９５０〜１１００℃、圧力を５〜４０ｋＰａとして成膜する。そして、チャンバ内を９５０〜１１００℃、５〜４０ｋＰａとし、四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスを１〜５体積％、メタン（ＣＨ_４）ガスを４〜１０体積％、窒素（Ｎ_２）ガスを１０〜３０体積％、一酸化炭素（ＣＯ）ガスを４〜８体積％、残りが水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスを調整してチャンバ内に１０〜６０分導入して成膜した後、続いて体積％で二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスを０．５〜４．０体積％、残りが窒素（Ｎ_２）ガスからなる混合ガスを調整してチャンバ内に導入し、成膜温度を９５０〜１１００℃、５〜４０ｋＰａにて、ＨＴ−ＴｉＣＮ層を酸化させてＴｉＣＮＯ層に変化させながら中間層を成膜する。なお、このＣＯ_２ガスを含む混合ガスを流す工程を経ることなく中間層を形成することもできるが、α型Ａｌ_２Ｏ_３層を構成する結晶を微細なものとするためには、ＣＯ_２ガスを含む混合ガスを流す工程を経ることが望ましい。

Ａｌ_２Ｏ_３層の成膜条件は、まず、体積％で二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスを０．３〜４．０体積％、残りが窒素（Ｎ_２）ガスからなる混合ガスを調整してチャンバ内に導入し、成膜温度を１０００〜１１００℃、５〜４０ｋＰａにて、チャンバ内に５〜３０分導入することによって、被覆層表面の表面粗さを粗くする。そして、引き続き、α型Ａｌ_２Ｏ_３層を形成する。α型Ａｌ_２Ｏ_３層の成膜条件としては、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）ガスを０．５〜５．０体積％、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを０．５〜３．５体積％、二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスを０．５〜５．０体積％、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）ガスを０〜０．５体積
％、残りが水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を９５０〜１１００℃、圧力を５〜１０ｋＰａとして成膜することが望ましい。

さらに、α型Ａｌ_２Ｏ_３層の上層に最表層を形成する。混合ガス組成として、四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスを１〜５体積％、窒素（Ｎ_２）ガスを５〜３０体積％、二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスを０．１〜２．０体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスを用いる。ここで、本発明によれば、四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスと、窒素（Ｎ_２）ガスと、水素（Ｈ_２）ガスの一部との混合ガスの第１供給配管と、二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスおよび水素（Ｈ_２）ガスの一部の混合ガスの第２供給配管との２つの配管で混合ガスをチャンバ内に供給する。このとき、第２供給配管の温度をチャンバの温度よりも高い温度とすることによって、ＴｉＯｘ相の反応が活性化し、基体のエッジ部にＴｉＯｘ相が多く生成する。そして、チャンバの温度を９６０〜１１００℃、圧力を１０〜８５ｋＰａとして、最表層を成膜する。この成膜条件によって、ＴｉＮ相およびＴｉＯｘ相の混相からなる最表層が成膜される。また、成膜時にはＴｉＮ相およびＴｉＯｘ相の混相が切刃部に優先的に成膜され、結果的に、切刃部における最表層の厚みがすくい面よりも１．１〜２倍、望ましくは、１．２〜１．５倍厚く成膜される。

その後、最表層の表面から、被覆層の表面の少なくとも切刃部、または切刃部とすくい面を研磨加工して、切刃部における最表層の厚みｔ_ｃとすくい面における最表層の厚みｔ_ｒとの比（ｔ_ｃ／ｔ_ｒ）が０．８〜１．２となるように調整する。この研磨加工により、切刃部に厚く成膜された最表層の厚みを調整できるとともに、切刃部およびすくい面が平滑に加工され、被削材の溶着を抑制して、さらに耐欠損性に優れた切削工具となる。

平均粒径１．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を６質量％の割合で添加、混合して、プレス成形により切削工具形状（ＣＮＭＧ１２０４１２）に成形した。得られた成形体について、脱バインダ処理を施し、０．５〜１００Ｐａの真空中、１４００℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。さらに、作製した超硬合金に対して、ブラシ加工にてすくい面側について刃先処理（Ｒホーニング）を施した。

次に、上記超硬合金に対して、ＣＶＤ法により各種の被覆層を表１に示す成膜条件、および表２に示す層構成にて形成した。なお、表１の成膜条件において、２つの配管を用いる成膜条件については、各配管に供給されるガス種および配管の温度を分けて記載した。そして、被覆層の表面、すなわち最表層の表面をブラシ加工して、すくい面における最表層の厚みと切刃部における最表層の厚みとが０．８〜１．２となるように調整して、試料Ｎｏ．１〜７の表面被覆切削工具を作製した。

得られた工具について、すくい面の被覆層について走査型電子顕微鏡観察を行い、各層を構成する結晶の形状、平均粒径（または平均結晶幅）、厚みを見積もった。なお、表２中、被覆層の各層を構成する結晶の結晶形態が柱状であるとは、各結晶の被覆層の厚み方向の長さに対する前記平均結晶幅の比が平均で０．３以下の状態を示し、この各結晶の被覆層の厚み方向の長さに対する前記平均結晶幅の比が平均で０．３を超えるものは結晶形態が粒状であることを示している。例えば、表２の試料Ｎｏ．１において、第１層を構成する結晶は、被覆層の厚み方向の長さに対する平均結晶幅の比が平均で０．３を超えるものであり、粒状結晶が第１層の厚み方向に複数個存在する構造となっている。また、第２層を構成する結晶は、被覆層の厚み方向の長さに対する平均結晶幅の比が平均で０．３以下であることを示している。

また、被覆層の表面である最表層の表面粗さを触針式の表面粗さ計で測定した。さらに、最表層のＸ線回折測定にてＴｉＮのピークとＴｉＯｘのピークが存在するか否かを確認し、切刃部およびすくい面において、最表層の表面からオージェ電子分光分析によって、ＴｉＮ相とＴｉＯｘ相との存在強度を求めて、ＴｉＮ相とＴｉＯｘ相との合計量に対するＴｉＯｘ相の含有割合を算出し、表３にＴｉＯ_２割合として示した。さらに、最表層については、上記刃先に研磨加工を施す前の成膜直後のすくい面および切刃部における厚みも測定した。結果は表２、３に示した。

次に、このインサートを用いて以下２つの切削条件にて切削試験を行った。結果は表３に示した。
（摩耗評価）
切削方法：旋削加工
被削材 ：ＳＣＭ４１５
切削速度：３００ｍ／分
送り ：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２．０ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：フランク摩耗が０．３ｍｍ以上となる時間（表中、摩耗評価寿命と記載。）とそのときの切刃の状態
（断続評価）
切削方法：旋削加工
被削材 ：ＳＣＭ４４０（４本溝入り）
切削速度：３００ｍ／分
送り ：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５分
切削状態：湿式
評価方法：切刃が欠損するまでの衝撃回数

表１〜３に示される結果から、最表層がＴｉＯ_２相のみまたはＴｉＮＯ相のみからなる
試料Ｎｏ．５、６では、最表層が早期に欠損してしまった。また、最表層を構成するＴｉＯ_２相の含有割合が切刃部とすくい面とにおいて同じである試料Ｎｏ．７でも、切刃部における溶着が激しく、工具寿命が短かった。これに対し、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．１〜４では、耐溶着性が高く、工具寿命が長くなる傾向にあった。

１ インサート
２ すくい面
３ 逃げ面
４ 切刃部
６ 基体
７ ＴｉＮ層
８、９ ＭＴ−ＴｉＣＮ層
１０ ＨＴ−ＴｉＣＮ層
１１ 中間層
１２ Ａｌ_２Ｏ_３層
１４ 最表層

Claims (1)

1. 基体の表面に多層からなる被覆層を設けており、前記被覆層の最表層がＴｉＮ相とＴｉＯ _２ 相およびＴｉ _２ Ｏ _３ 相との混相からなるとともに、前記最表層における前記ＴｉＯ _２ 相およびＴｉ _２ Ｏ _３ 相の合計の含有割合がすくい面より切刃部のほうが高いとともに、
   前記すくい面における前記最表層は、厚みｔｒが０．４μｍ〜１．０μｍで、前記ＴｉＯ _２ 相およびＴｉ _２ Ｏ _３ 相の合計の含有割合が５０％〜７０％であり、
   前記切刃における前記最表層は、厚みｔｃが前記ｔｒとの比（ｔｃ／ｔｒ）で０．８〜１．２で、前記ＴｉＯ _２ 相およびＴｉ _２ Ｏ _３ 相の合計の含有割合が７０％〜９０％である
   切削工具。